DE112006000338B4

DE112006000338B4 - Fixierung eines Lagerbolzens an Rollenstösseln

Info

Publication number: DE112006000338B4
Application number: DE112006000338T
Authority: DE
Inventors: Mario Kuhl; Marco Meisborn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2026-02-25
Also published as: DE112006000338A5; WO2006092249A1; US20060288974A1; US7299777B2; CA2598748A1; MX2007010110A

Abstract

Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einem zylindrischen Gehäuse (1) eines in Richtung einer Längsachse (Z) betätigten Rollenstößels (2) insbesondere für einen Stößelstangen-Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, welcher Lagerbolzen (6) in Bohrungen (7) des Gehäuses (1), die in einer zur Längsachse (Z) senkrechten Querebene (XY) des Rollenstößels (2) verlaufen, gelagert ist und durch Materialverformung infolge stirnseitigen Verstemmens des Lagerbolzens (6) in Richtung des Gehäuses (1) form- und/oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverformung als mindestens ein Segment (9, 10) ausgebildet ist und genau ein Segment (9) eine radiale Lastzone (16) des Lagerbolzens (6) vollständig umfasst, wobei ein um die Querebene (XY) verlaufender Abschnitt (15) des Lagerbolzens (6) frei von der Materialverformung ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Fixierung eines Lagerbolzens in einem zylindrischen Gehäuse eines in Richtung einer Längsachse betätigten Rollenstößels, insbesondere für einen Stößelstangenventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Der Lagerbolzen ist in Bohrungen des Gehäuses gelagert, die in einer zur Längsachse senkrechten Querebene des Rollenstößels verlaufen, und durch Materialverformung in Folge stirnseitigen Verstemmens des Lagerbolzens in Richtung des Gehäuses form- und/oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse verbunden.
Hintergrund der Erfindung
Die Fixierung von Lagerbolzen in Gehäusen von Rollenstößeln mittels stirnseitigen Verstemmens des Lagerbolzens mit dem Gehäuse sind dem Fachmann seit langem als zeitsparende und kostengünstige Maßnahme bekannt, den Lagerbolzen funktionssicher und dauerfest mit dem Gehäuse des Rollenstößels zu verbinden. So ist beispielsweise in dem US-Patent 6,196,175 B1 ein Rollenstößel-Ventiltrieb mit einem Rollenstößel dargestellt, der hierbei zwecks Deaktivierung des Gaswechselventils schaltbar ausgebildet ist. Gut zu erkennen ist ein typisches Verstemmbild an der Stirnseite des Lagerbolzens, das aufgrund der materialverformenden Einwirkung eines Verstemmwerkzeugs im Bereich der sich radial aufweitenden Stirnseite des Lagerbolzens entsteht. Ein solches Verstemmbild hat oftmals die Gestalt einer kontinuierlich umlaufenden Rille, die durch das Verstemmwerkzeug, das beispielsweise unter Krafteinwirkung um die Achse des Lagerbolzens taumelt, in dessen Stirnseite eingeformt wird. Wie in der zitierten Schrift dargestellt, kann diese Materialverformung auch aus zahlreichen kreisbogenförmigen Segmenten bestehen, die sich mit nicht verformten, jedoch vergleichsweise kurzen Abschnitten abwechseln.
Eine so ausgebildete Fixierung des Lagerbolzens kann aus mehreren Gründen nachteilig sein. Zum einen dient der Lagerbolzen häufig als Lagerung einer hochbelasteten Nockenrolle eines Rollenstößels in Brennkraftmaschinen mit einem Rollenstößel-Ventiltrieb und untenliegender Nockenwelle. Der Durchmesser eines solchen Rollenstößels richtet sich üblicherweise unmittelbar nach Durchmesser und Breite der Nockenrolle und ist aus Gründen der bewegten Ventiltriebsmasse so klein wie möglich zu halten. Dies hat zur Folge, dass die Nockenrolle entweder in einer am Umfang geschlossenen, allerdings lokal sehr dünnwandigen Rollentasche des Rollenstößels aufgenommen ist oder lediglich zwischen zwei sich axial erstreckenden Stegen des Gehäuses zur Lagerung des Lagerbolzens angeordnet ist.
In beiden Fällen ist jedoch die radiale Formsteifigkeit des Gehäuses des Rollenstößels im Bereich der Nockenrolle erheblich eingeschränkt. Insofern kann eine über den stirnseitigen Umfang des Lagerbolzens kontinuierlich verlaufende oder gleichmäßig verteilte Materialverformung mit hohem Anteil verformter Segmente dazu führen, dass das ursprünglich zylindrische Gehäuse im Bereich der Nockenrolle durch die sich in radialer Richtung des Gehäuses erstreckende Materialverformung nach dem Verstemmvorgang unzulässig hoch und üblicherweise oval verformt bleibt.
Eine solcher Formverzug kann insbesondere bei den vorgenannten Rollenstößel-Ventiltrieben, deren Rollenstößel üblicherweise aus Stahl gefertigt und in einer aus Grauguss bestehenden Führung der Brennkraftmaschine gelagert sind, problematisch sein. Dies liegt in den sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Grauguss begründet, so dass ein weitgehend temperaturunabhängiges und somit äußerst kleines Führungsspiel des Rollenstößels in seiner Führung vorteilhaft realisiert werden kann. Gleichzeitig kann dabei jedoch ein Formverzug des Gehäuses mit bereits kleinsten Abweichungen von der Zylinderform dazu führen, dass der Rollenstößel während des Montageprozesses entweder gar nicht oder nur unter Verklemmen in der Führung montierbar ist oder dass der Rollenstößel während des Motorbetriebs in der Führung verklemmt. Mögliche Folgen des letztgenannten Falls sind bestenfalls ein nicht mehr vollständig schließendes Gaswechselventil und schlimmstenfalls ein Motorschaden infolge der mechanischen Ventiltriebsbelastung oder infolge Kollision eines Kolbens mit dem offen stehenden Gaswechselventil.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Fixierungen des Lagerbolzens mittels Verstemmen besteht darin, dass eine kontinuierlich verlaufende oder gleichmäßig verteilte Materialverformung mit hohem Anteil verformter Segmente bei konstanten Verstemmkräften zu einer geringeren lokalen Materialverformung des Lagerbolzens führt, wodurch die Sicherheit gegen Lösen der Verbindung des Lagerbolzens mit dem Gehäuse des Rollenstößels reduziert wird. Darüber hinaus ist eine Materialverformung, wie sie in der zitierten Schrift als eine Vielzahl von mit unverformten Abschnitten abwechselnden Segmenten ausgebildet ist, im Hinblick auf den Pressverband zwischen dem jeweiligen stirnseitigen Abschnitt des Lagerbolzens und der zugehörigen Bohrung des Gehäuses als ungünstig zu bewerten. Ursache hierfür ist eine sich ungleichmäßig ausbildende Pressungsverteilung im Pressverband. Die ungleichmäßige Pressungsverteilung kann im Bereich der sich aufgrund der Krafteinleitung über die Nockenrolle am Lagerbolzen ausbildenden Lastzone zu überhöhten Materialspannungen und infolgedessen im Bereich der Lastzone zu einem Materialfließen des Lagerbolzens im Pressverband führen, da der Lagerbolzen an den stirnseitigen Abschnitten eine zwecks Verformbarkeit vergleichsweise geringe Materialhärte aufweist. Im Falle eines solches Materialfließens ist die Sicherheit gegen Lösen der Fixierung des Lagerbolzens zusätzlich reduziert. Eine nicht mehr wirksame Fixierung führt üblicherweise zu einem reibenden Kontakt des Lagerbolzens mit der Führung aufgrund seitlichen Austretens des Lagerbolzens aus dem Gehäuse. Dabei kann es in kurzer Zeit zu einer Zerstörung der Führungslaufbahn und anschließendem Verklemmen des Rollenstößels in der Führung mit den oben erläuterten Folgen und Folgeschäden kommen.
Aufgabe der Erfindung
Gegenüber dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Fixierung eines Lagerbolzens an einem Rollenstößel zu schaffen, die mit dem etablierten Montageverfahren des Verstemmens hergestellt ist, und bei erhöhter Sicherheit gegen Lösen der Fixierung einen geringst möglichen radialen Formverzug des den Lagerbolzen aufnehmenden zylindrischen Gehäuses gewährleistet.
Lösung der Aufgabe
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Materialverformung als mindestens ein Segment ausgebildet ist und genau ein Segment eine radiale Lastzone des Lagerbolzens vollständig umfasst, wobei ein um die Querebene verlaufender Abschnitt des Lagerbolzens frei von der Materialverformung ist. Mit der so gestalteten Fixierung des Lagerbolzens können demnach verschiedene Anforderungen an die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung des Lagerbolzens mit dem Gehäuse des Rollenstößels gleichzeitig erfüllt werden.
Zum einen befindet sich die radiale Lastzone des Lagerbolzens vollständig in einem Segment der Materialverformung, so dass die Sicherheit gegen Lösen der Fixierung durch einen in der Lastzone gleichmäßigen Pressverband zwischen dem Lagerbolzen und der jeweiligen Bohrung des Gehäuses dadurch gewährleistet ist, dass das eingangs erläuterte Materialfließen infolge ungleichmäßiger Pressungsverteilung mit unzulässig hohen Materialspannungen im Bereich der Lastzone wirkungsvoll verhindert wird.
Zum anderen ist ein um die Querebene verlaufender Abschnitt des Lagerbolzens frei von der Materialverformung, so dass der radiale Formverzug des Gehäuses vernachlässigbar ist oder zumindest in sehr engen zulässigen Grenzen gehalten werden kann. Schließlich können die Kräfte des Verstemmwerkzeugs bei konstanter lokaler Materialverformung des Lagerbolzens reduziert werden. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, bei unveränderten Kräften des Verstemmwerkzeugs die lokalen Materialverformungen bei ansonsten unkritischem Formverzug des Gehäuses im Hinblick auf eine weiter gesteigerte Sicherheit gegen Lösen der Fixierung zu erhöhen. In beiden Fällen ergibt sich ein über den Umfang des Lagerbolzens ungleichmäßig verteilter Pressverband, der zusätzlich formschlussartig wirkt und folglich die Sicherheit gegen Lösen der Fixierung infolge eines auf den Lagerbolzen übertragenen Drehmoments weiterhin erhöht. Dieses Drehmoment resultiert aus Reibkräften der um den Lagerbolzen rotierenden Rolle oder Wälzkörper und belastet die Fixierung des Lagerbolzens in dessen Umfangsrichtung.
In zweckmäßiger Fortbildung der Erfindung ist das die radiale Lastzone des Lagerbolzens umfassende Segment kreisbogenförmig ausgebildet. Dabei ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Materialverformung zwei symmetrisch zur Querebene verlaufende Segmente beinhaltet. Es ist ferner vorgeschlagen, dass diese Segmente jeweils einen Winkel von 120° einschließen, um eine möglichst hohe Sicherheit gegen Lösen der Fixierung bei gleichzeitig geringem Formverzug des Gehäuses zu erzielen.
Schließlich ist vorgesehen, dass der Rollenstößel zur Deaktivierung eines oder mehrerer Gaswechselventile der Brennkraftmaschine schaltbar ausgebildet ist. Bei derartigen der Fachwelt bekannten Rollenstößeln sind Formabweichungen von der Zylindrizität des Gehäuses des Rollenstößels in engsten Grenzen zu halten, da dieser im deaktivierten Zustand nicht mehr von der Kraft der Gaswechselventilfeder, sondern von einer erheblich kraftärmeren, so genannten Lost-Motion-Feder in Richtung Nockenwelle der Brennkraftmaschine zurückgestellt wird. Die damit einhergehende Erhöhung der Verklemmneigung des Rollenstößels in seiner Führung wird durch den sehr geringen Formverzug des Gehäuses zumindest kompensiert.
Die Erfindung soll dennoch nicht auf Rollenstößel in Ventiltrieben beschränkt sein. Insofern sind auch Rollenstößel, die beispielsweise als Nockenfolger in Kraftstofffördereinrichtungen Verwendung finden, in den Schutzumfang einzubeziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die erfindungsgemäße Fixierung des Lagerbolzens beispielhaft anhand eines Rollenstößels für einen Rollenstößel-Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine dargestellt ist. Die Fixierung des Lagerbolzens ist zu einer Längsachse des Rollenstößels symmetrisch und, falls nicht ausdrücklich anders erwähnt, nur für eine Seite des Lagerbolzens beschrieben und mit Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein Gehäuse des Rollenstößels, wobei der Lagerbolzen in ungeschnittener Draufsicht auf dessen Stirnseite dargestellt ist und
2 das Gehäuse gemäß dem Schnitt A-A aus 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren ist ein zylindrisches Gehäuse 1 einer Unterbaugruppe eines Rollenstößels 2 für einen Stößelstangen-Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine dargestellt. Das Gehäuse 1 ist mit einer Außenmantelfläche 3 in einer nicht dargestellten hohlzylindrischen Führung der Brennkraftmaschine in Richtung einer Längsachse Z betätigt. Zum reibungsarmen Abgriff eines ebenfalls nicht dargestellten Nockens der Brennkraftmaschine dient eine wälzgelagerte Rolle 4, die in einer Rollentasche 5 des Gehäuses 1 angeordnet ist. Die Lagerung der Rolle 4 erfolgt über einen Lagerbolzen 6, der beidseits von je einer Bohrung 7 zwischen Außenmantelfläche 3 und Rollentasche 5 aufgenommen ist. Die Bohrungen 7 verlaufen jeweils in einer zur Längsachse Z senkrechten Querebene XY des Rollenstößels 2. Die Befestigung des Lagerbolzens 6 erfolgt durch eine mittels axialem Verstemmen erzeugte Materialverformung, die von einer Stirnseite 8 des Lagerbolzens 6 ausgeht und den Lagerbolzen 6 form- und kraftschlüssig mit dem Gehäuse 1 verbindet. In 1 ist ein Verstemmbild in Form von kreisbogenförmigen Segmenten 9 und 10 gut zu erkennen.
Der Lagerbolzen 6 ist aufgrund der Verstemmung in den Bereichen der Segmente 9 und 10 radial aufgeweitet, wodurch in diesen Bereichen ein Pressverband zwischen dem Lagerbolzen 6 und der Bohrung 7 hergestellt ist. Zusätzlich kommt es in den Bereichen der Segmente 9 und 10 zur Bildung je eines radial überstehenden Wulstes 11, der sich in einem als umlaufende Fase 12 ausgebildeten Übergangsbereich 13 zwischen Außenmantelfläche 3 und Bohrung 7 abstützt und eine formschlüssige Axialverbindung des Lagerbolzens 6 mit dem Gehäuse 1 erzeugt. Voraussetzung für die Materialverformbarkeit der Stirnseite 8 ist ein axialer Härteverlauf, der ausgehend von einem vergleichsweise weichen und somit verformbaren Werkstoff des Lagerbolzens 6 im Bereich der Stirnseite 8 in einen zentralen, als Laufbahn 14 für die wälzgelagerte Rolle 4 dienenden Bereich mit hoher Härte und Verschleißbeständigkeit übergeht.
Ein zwischen den Segmenten 9 und 10 sowie um die Querebene XY verlaufender Abschnitt 15 ist frei von der Materialverformung infolge des Verstemmens. Folglich kommt es in diesem Abschnitt 15 weder zur Ausbildung des zuvor erläuterten Pressverbands zwischen Lagerbolzen 6 und Bohrung 7 noch zur Bildung der sich in der Fase 12 abstützenden Wülste 11. Daher kann – auf die Querebene XY gesehen – ein Formverzug der zylindrischen Außenmantelfläche 3 des Gehäuses 1 im Bereich der Rollentasche 5 minimal gehalten werden. Gleichzeitig wirkt der lediglich lokal im Bereich der Segmente 9 und 10 erzeugte Pressverband auch formschlussartig, um die Sicherheit gegen Lösen der Fixierung infolge eines auf den Lagerbolzen 6 übertragenen Drehmoments zusätzlich zu unterstützen.
In 1 ist weiterhin eine Lastzone 16 dargestellt, die aufgrund einer bezüglich ihres Kraftangriffswinkels pendelnden Kraft von der Rolle 4 auf den Lagerbolzen 6 einwirkt. Dabei folgt der veränderliche Angriffswinkel der Kraft einem winkelveränderlichen Berührpunkt zwischen Rolle 4 und rotierendem Nocken. Voraussetzung für eine funktionssichere und dauerfeste Fixierung des Lagerbolzens 6 am Gehäuse 1 ist folglich eine möglichst gleichmäßige Radialaufweitung des Lagerbolzens 6 im Bereich dieser Lastzone 16, um eine möglichst homogene Pressungsverteilung zwischen Lagerbolzen 6 und lagernder Bohrung 7 im Bereich der Lastzone 16 zu erzielen. Aus diesem Grund ist die Lastzone 16 vollständig von dem nockenfernen, in 1 oberhalb der Querebene XY dargestellten Segment 9 umfasst. Als optimaler Kompromiss zwischen bester Sicherheit gegen Lösen der Fixierung des Lagerbolzens 6 bei in Richtung der Querebene XY geringstem Formverzug des Gehäuses 1 im Bereich der Rollentasche 5 hat sich dabei ein Winkel der kreisbogenförmigen Segmente 9 und 10 von jeweils etwa 120° herausgestellt.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Rollenstößel
3: Außenmantelfläche
4: Rolle
5: Rollentasche
6: Lagerbolzen
7: Bohrung
8: Stirnseite
9: Segment
10: Segment
11: Wulst
12: Fase
13: Übergangsbereich
14: Laufbahn
15: Abschnitt
16: Lastzone
Z: Längsachse
XY: Querebene

Claims

Fixierung eines Lagerbolzens (6) in einem zylindrischen Gehäuse (1) eines in Richtung einer Längsachse (Z) betätigten Rollenstößels (2) insbesondere für einen Stößelstangen-Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, welcher Lagerbolzen (6) in Bohrungen (7) des Gehäuses (1), die in einer zur Längsachse (Z) senkrechten Querebene (XY) des Rollenstößels (2) verlaufen, gelagert ist und durch Materialverformung infolge stirnseitigen Verstemmens des Lagerbolzens (6) in Richtung des Gehäuses (1) form- und/oder kraftschlüssig mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverformung als mindestens ein Segment (9, 10) ausgebildet ist und genau ein Segment (9) eine radiale Lastzone (16) des Lagerbolzens (6) vollständig umfasst, wobei ein um die Querebene (XY) verlaufender Abschnitt (15) des Lagerbolzens (6) frei von der Materialverformung ist.
Fixierung eines Lagerbolzens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Segment (9) kreisbogenförmig ausgebildet ist.
Fixierung eines Lagerbolzens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverformung zwei symmetrisch zur Querebene (XY) verlaufende Segmente (9, 10) beinhaltet.
Fixierung eines Lagerbolzens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (9, 10) jeweils einen Winkel von 120° einschließen.
Fixierung eines Lagerbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenstößel (2) zur Deaktivierung eines oder mehrerer Gaswechselventile der Brennkraftmaschine schaltbar ausgebildet ist.